2020, Vol. 41
表1(Table 1)
2. 衢州学院 建筑工程学院, 浙江 衢州 324000
2. College of Civil Engineering and Architecture, Quzhou University, Quzhou 324000, China
椭圆钢管混凝土由椭圆钢管内填充混凝土形成，其外形既符合建筑美学的需要，又能提供结构要求的强弱轴，已在航站楼、桥梁等结构中作为主要轴压构件得到了应用[1]，近10余年来，国内外学者相继对椭圆钢管混凝土展开了研究[2-26]。
文献[2-9]研究了椭圆截面比(a/b)、混凝土材性、钢管材性等因素对椭圆钢管混凝土短柱力学性能的影响，同时这些研究还表明，采用椭圆截面的等效直径De，欧洲规范EC4[27]、加拿大规范CSA-S16[28]和美国规范AISC[29]中钢管混凝土短柱的承载力计算公式能偏于安全地用于椭圆钢管混凝土短柱。文献[10-15]进行了椭圆钢管混凝土长柱轴压和偏压试验，研究了椭圆截面比、构件长细比、荷载偏心距等参数对椭圆钢管混凝土长柱力学性能的影响。文献[16-17]研究了薄壁椭圆钢管混凝土梁的力学性能，并提出抗弯承载力计算公式。在试验基础上，各国学者进行了有限元分析[18-24]，进一步探明了几何特性、材料性能和加载方式等对椭圆钢管混凝土构件力学性能的影响，有限元分析结果与试验结果基本吻合。文献[25-26]则基于统一强度理论对椭圆钢管混凝土柱进行了理论分析，并结合试验结果提出了椭圆钢管混凝土长柱和短柱的承载力计算公式。
综上所述，目前对于椭圆钢管混凝土构件的静力性能研究已有一定成果，可以进行工程应用指导。然而我国幅员辽阔，7度及以上抗震设防区域高达58%[30]。因此，为推广椭圆钢管混凝土柱的工程应用，针对椭圆钢管混凝土柱抗震性能展开研究，有着重要的社会意义。本文研究椭圆钢管混凝土短柱分别在单调和循环轴压荷载作用下的力学性能，设计制作了18个试件，研究椭圆截面比、混凝土强度和加载方式对椭圆钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响。
1 试验方案 1.1 试验概况试验分2批，第1批12个椭圆钢管混凝土短柱试件(以下简称试件或短柱试件)主要研究椭圆截面比对椭圆钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响；第2批6个试件主要研究混凝土强度等级的影响。为避免试件过短带来的端部效应和过长带来的整体失稳[31]，试件的高度h取为750 mm，约为椭圆长轴的3倍。试件的参数实测值见表 1，表中试件编号规则：椭圆截面比-混凝土等级-加载方式，如E1.0-C45-m，表示椭圆截面比为1.0、混凝土等级为C45且采用单调轴压加载(c1表示单次循环加卸载、c2表示多次循环加卸载)。
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表 1 试件参数 Table 1 Parameters of the specimens title |
试验所用钢管为冷弯焊接椭圆钢管，由与椭圆截面等周长的直缝圆钢管冷弯冲压加工而成，焊缝位于椭圆截面的短轴处。短柱试件中，截面比相同的钢管取自同一根母管。因此对每一种椭圆截面比的椭圆钢管，制作3个带焊缝拉伸试件和3个不带焊缝拉伸试件，不带焊缝拉伸试件取样位置也在椭圆截面的短轴处。拉伸试件及加载方法按《金属材料室温拉伸试验方法》[32]进行，实测钢材的屈服强度fy和弹性模量Es见表 1。
1.2.2 混凝土选用流动性较好的自密实混凝土，混凝土的坍落扩展度根据规范取为660~750 mm[33]。根据规范要求浇筑混凝土立方体试块进行强度测试。实测混凝土立方体强度fcu见表 1。
1.3 加载与测试方案本试验在500 t液压伺服试验机上进行，试验装置和测试仪表布置如图 1所示，试件两端视为固定边界条件。图 1(b)中A1~A4为轴向应变片、H1~H12为环向应变片。
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| 图 1 椭圆钢管混凝土截面示意 Fig. 1 Cross section of ECFST | |
加卸载过程采用位移控制，速度均为0.5 mm/min[6, 8, 34]。正式加载前按常规方法进行预加载。试验中，每组3个试件分别采用3种加载方式，即单调轴压、单次循环加卸载、多次循环加卸载。对于循环轴压[34]，在弹性阶段(混凝土轴向应变0≤εc≤0.001)取一个卸载点，弹塑性阶段(0.001≤εc≤0.003 5)取2个卸载点，塑性阶段(εc>0.003 5)取2个卸载点。单次循环加卸载对每级卸载点均只加卸载一次，多次循环加载时，第一级卸载点加卸载一次，最后一级卸载点加卸载10次，中间3级卸载点均加卸载3次。由于混凝土应变无法直接获取，本文的卸载点εc值近似取为试件轴向位移值与试件高度之比，即依次取：0.000 5(0.375 mm)、0.002(1.5 mm)、0.004(3 mm)、0.012(9 mm)、0.02(15 mm)。
2 试验结果与分析 2.1 破坏模式在加载初期，荷载几乎随轴向位移线性上升，试件无明显的外观变化；随着位移的增大，荷载增加速度逐渐放缓，钢管表面开始出现斜向鼓曲，试件呈现剪切变形形态；随着位移继续增大，荷载开始呈现下降趋势，剪切变形愈发明显。
图 2所示为所有试件的破坏模式，由于混凝土的填充，限制了钢管的内凹变形，试件主要变形模式均为由核心混凝土的斜向剪切变形导致的剪切型破坏。试件E2.3-C45-c1、E1.8-C60-c2、E1.8-C75-c1和E1.8-C75-c2呈现剪切破坏与端部鼓曲破坏的混合破坏模式，试件E2.3-C45-c2呈现端部鼓曲破坏模式。如图 3所示，剖开钢管后核心混凝土的破坏状态可见核心混凝土都发生了剪切破坏。当截面比较小、混凝土强度较低时，由于核心混凝土与钢管之间较强的相互作用，钢管的局部屈曲被混凝土限制，试件呈剪切型破坏；当截面比增大、混凝土强度提高时，二者之间的相互作用较低，混凝土对钢管局部屈曲的限制减弱，钢管的局部屈曲得以发展，试件变形发展与椭圆空钢管试件类似，端部发生“象足”形破坏，试件表观呈现出剪切破坏与端部鼓曲破坏的混合破坏模式或端部鼓曲破坏模式[6]，本次试验中，试件发生端部“象足”形破坏先于剪切破坏。
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| 图 2 试件破坏模式 Fig. 2 Failure mode of specimens | |
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| 图 3 核心混凝土破坏模式 Fig. 3 Failure mode of core concrete | |
试件的轴向荷载从加载装置中读取，轴向位移可以采用位移计读数的平均值进行绘制[8]，如图 4所示。各试件的荷载-位移曲线都可以分为3段：弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。
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| 图 4 椭圆钢管混凝土柱的荷载-位移曲线 Fig. 4 Load-displacement curve of ECFST columns | |
对比相同试件在循环轴压和单调轴压加载下的荷载-位移可以发现，循环轴压加载下荷载-位移曲线的包络线与单调轴压加载下的荷载-曲线非常接近。
比较图 4(a)~(d)可见，核心混凝土强度相同时，椭圆截面比越大，椭圆钢管混凝土柱的荷载-位移曲线越早出现下降段，下降程度也更明显，这说明随着椭圆截面比增大，外钢管对核心混凝土的约束效应减弱；比较图 4(c)、(e)和(f)可见，椭圆截面比相同时，混凝土强度越高，曲线下降段发生的越突然，而且下降程度越明显，这是由于高强度混凝土的高脆性带来的结果。
2.3 应变比-轴向应变曲线图 5给出了各试件环向应变与轴向应变的比值与轴向应变的关系曲线，轴向应变取柱高中部轴向应变片读数的平均值，环向应变则取柱高中部环向应变片读数平均值的绝对值。观察比较可以发现：1)在加载初期，应变比基本维持在0.29左右。此时混凝土和钢管都处于弹性阶段，混凝土泊松比小于钢材泊松比，在轴向应变相同的情况下，钢管的环向应变大于混凝土的环向应变，钢管对混凝土没有约束；2)随着加载的继续进行，当轴向荷载达到极限荷载的70%~90%时，应变比开始随轴向应变的增加呈上升趋势，表明混凝土的横向变形逐渐大于钢管，试件外鼓现象清晰可见。此时钢管和混凝土之间发生挤压，产生径向压力；3)随着截面比和混凝土强度的增加，应变比增加的幅度呈降低趋势，说明钢管和混凝土之间的径向压力随截面比的增大、混凝土强度的增加而减小，也就是钢管对混凝土的约束效应降低；4)对循环加卸载试件，由于混凝土可恢复弹性变形远小于钢材，所以在卸载时，混凝土对钢管收缩的限制导致二者相互作用随卸载程度的增加而增强；在加载阶段，混凝土横向变形小于钢管使得二者相互作用开始减弱，直至卸载点。
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| 图 5 椭圆钢管混凝土短柱的应变比-轴向应变曲线 Fig. 5 Strain ratio-axial strain curve of ECFST stub columns *注：因应变采集仪突发故障，E1.8-C75-c1和E1.8-C75-c2的环向应变未能进行有效采集。 | |
各试件的极限荷载Nut及其对应的轴向位移Δut可从图 4获得。为了直观体现外钢管与核心混凝土的相互作用情况，引入强度提高系数：kc=Nut/Nuo，其中：Nuo=Acfco+Asfy为钢管和混凝土承载力的简单叠加，式中Ac和As分别表示混凝土和钢管的截面积，fco为混凝土的圆柱体强度，采用文献[35]提出的方法按实测fcu计算。另外，采用延性系数来表征椭圆钢管混凝土的延性性能，延性系数为荷载下降到极限荷载的85%对应的轴向位移Δ0.85ut与极限荷载对应的轴向位移Δut的比值[3]。表 2列出了各试件的试验结果。图 6给出了强度提高系数、延性系数与椭圆截面比、混凝土强度的关系。由图 7可知，绝大部分试件的强度提高系数kc都大于1，说明钢管和混凝土之间有一定的有利相互作用。而且椭圆截面比越大，kc越小，这表明外钢管对核心混凝土的约束效应随椭圆截面比的增大而减小。对于相同截面比的试件，混凝土强度越高，kc越小，这表明外钢管对高强度混凝土的约束效应更弱。比较延性系数发现，椭圆截面比对椭圆钢管混凝土柱的延性影响不明显，而混凝土强度的提高对于柱的延性有不利影响，说明椭圆钢管混凝土柱的延性主要受到混凝土强度等级的影响。从图 4可以看出，单调加载曲线和循环加载包络线基本吻合，说明加载制度对柱的承载力和延性的影响几乎没影响，表 3中不同加载制度下柱构件强度提高系数kc和延性系数的差异可能是由于混凝土较高的离散性造成的，当然可能也有制作误差、试验误差等诸多因素。
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表 2 椭圆钢管混凝土短柱的承载力及延性 Table 2 Bearing capacity and ductility of ECFST stub columns |
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| 图 6 椭圆钢管混凝土短柱试件承载力计算值与试验值比较 Fig. 6 Compression of predicted capacity and tested capacity of ECFST stub columns | |
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表 3 椭圆钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式 Table 3 Axial compression bearing capacity of ECFST stub columns |
从图 4荷载-位移曲线可以看出，当试件完成一次循环加卸载(循环加卸载以下简称循环)后再加载至上一次循环的卸载点时，荷载会有所降低，这与混凝土在循环荷载作用的强度退化密切相关。从图 4中可以看出，随着卸载应变(位移)的增加，钢管混凝土柱的强度衰减越来越严重，表现在强度衰减系数随着卸载应变(位移)的增大而减小，这表明随着卸载应变(位移)的增加，混凝土中旧的裂缝不断扩张，新的裂缝不断产生，混凝土损伤累积加大导致强度下降更快；而在同一卸载点的多次循环中，随着循环次数的增加，强度衰减则呈现减轻的趋势，到了大约4次之后，几乎没有衰减，说明在当前卸载点，混凝土中裂缝扩展达到稳定，即加卸载不再会导致裂缝的进一步扩张，也就不会有损伤的进一步积累。
从图 4中也可以看出，在多次加卸载循环过程中，随着加卸载循环次数的增加，试件的残余变形也越来越大。随着卸载应变的增大和加载次数的增加，残余变形累积系数越来越小，最终(约4次后)趋于稳定。其原因与强度衰减趋于稳定相同。
3 承载力计算本文的椭圆钢管混凝土短柱试验研究为得到椭圆钢管混凝土短柱轴压承载力的设计公式提供了有力的试验数据。我国目前已经将椭圆钢管混凝土柱纳入规范，并给出了明确的计算公式[36]，而欧美规范中，只有矩形和圆形钢管混凝土柱，尚未给出椭圆钢管混凝土柱的设计公式，但是已经有学者在试验的基础上修正了欧洲规范中圆钢管混凝土柱承载力的计算公式[4, 10]，使之适用于椭圆截面；我国学者基于试验和理论分析结果提出了椭圆钢管混凝土短柱承载力计算公式[8, 25]，详见表 3。
文献[4]和文献[10]针对椭圆和圆截面的差异，进行了公式的修正，文献[4]取De=2a{1+[1-2.3(t/2a)0.6](a/b-1)}，EI=EsIs+EcIc，文献[10]取De=2a2/b，EI=EsIs+0.6EcIc。式中，Is为钢管截面惯性矩；Ec和Ic为混凝土截面弹性模量和惯性矩。这2个公式的计算结果分别表示为NEC4, z和NEC4, j。图 6和表 4给出了公式计算值与试验值的比较结果，可见，文献[4]的公式计算结果偏大，文献[10]的公式计算结果几乎与试验结果相同，其他公式计算结果均偏保守。总体来说，文献[25]的计算公式误差较小，计算结果较为稳定，能比较准确地预测椭圆钢管混凝土短柱的承载力。
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表 4 椭圆钢管混凝土短柱试件承载力计算值与试验值比较 Table 4 Compression of predicted capacity and tested capacity of ECFST stub columns |
1) 大部分椭圆钢管混凝土短柱试件都呈现出剪切型破坏模式。当截面比增加或混凝土强度提高时，钢管和混凝土之间的相互作用减弱导致混凝土对钢管局部屈曲的限制减弱，钢管的局部屈曲得以发展，试件表观呈现出剪切破坏与端部鼓曲破坏的混合破坏模式或端部鼓曲破坏模式。
2) 椭圆钢管和混凝土之间的约束作用，使得混凝土三向受压，可适当提高试件的轴压承载力。随椭圆截面比的增大，约束作用减小，但对延性影响不明显；混凝土强度的提高能明显提高试件承载力，但钢管的约束效应并不显著，而且混凝土强度的提高会导致试件延性的降低。
3) 循环加卸载下的试件的荷载位移包络线和单调加载的荷载位移曲线十分接近。随着卸载位移的增加，椭圆钢管混凝土短柱的强度衰减越来越严重，残余变形累积趋于平缓。随着加载次数的增加，强度衰减和残余变形均呈现减轻的趋势，到了一定次数之后，几乎没有强度衰减和残余变形的累积。
4) 美国规范公式和我国规范公式计算结果偏于保守，文献[10]中修正的欧洲规范公式能较为准确的估计椭圆钢管混凝土短柱的承载力，但计算结果离散性较大。文献[25]提出的公式不仅计算结果比较准确，而且相对稳定，可供研究和工程设计参考。
本文试件中钢管壁厚均为6 mm，试件径厚比样本有限，有必要进一步对各种不同径厚比的椭圆钢管混凝土柱进行试验研究，为椭圆钢管混凝土柱的理论分析奠定基础，为其工程应用提供参考。
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